基于ADS滤波器的设计

2013-09-27北京工业大学电子信息与控制工程学院北京100124

电子器件 2013年6期

(北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京100124)

介绍了基于ADS(Advanced Design System)软件进行微带线滤波器的设计方法，给出了详细的设计原理和步骤，并结合实例设计了一个中心频率为2.35 GHz，带宽为100 MHz，带内衰减小于2 dB，波纹起伏小于1 dB，输入阻抗、输出阻抗均为50Ω的耦合微带线带通滤波器。经过仿真优化，得到了原理图和电路版图，证明了这种方法的可行性，对使用ADS设计滤波器具有一定指导作用。

带通滤波器;平衡耦合;微带线;ADS

微波滤波器是一类无耗的二端口网络，主要用于控制信号的频率响应，使有用的信号频率分量几乎无衰减地通过滤波器，无用的信号频率分量被阻断［1］。微波滤波器按照传输线分类可分为微带线滤波器、交指型滤波器、同轴滤波器、波导滤波器等。由于微带线滤波器具有结构紧凑，易于实现以及其独特的选频特性等优点，使得广泛应用于各种微波通信电路中。微带线滤波器主要包括平衡耦合微带线滤波器、发夹型滤波器、微带类椭圆函数滤波器［2］。而平衡耦合微带线滤波器具有重量轻、体积小、易于实现等优点而被广泛使用。

传统的滤波器设计方法需要进行复杂计算，随着微波辅助电路设计软件的快速发展，使得利用计算机进行辅助设计变得相对容易。ADS正是这种辅助设计软件，可以完成从电路图到PCB版图的设计、仿真及优化。本文就是基于ADS软件对平衡耦合微带线带通滤波器进行设计仿真，介绍了这种区别于传统微波滤波器的设计方法。

1 平衡耦合微带线滤波器原理

耦合微带线是由两根或多根彼此靠得很近的非屏蔽传输线构成的导行系统。它是一种半开放式传输结构。耦合线的特性可以由线间的有效电容和线上波的传播速度完全确定［3］。其结构和等效电路图如图1所示。

图1 微带线结构及等效电路图

其中，C11表示带状导体2不存在时带状导体1对地的自电容;C22表示带状导体1不存在时带状导体2对地的自电容;C12表示接地导体不存在时带状导体1和2之间的互电容。

边缘耦合的平行耦合线由两条相互平行且靠近的微带线构成，单个带通滤波器单元如图2(a)所示。单个耦合微带滤波器单元能够等效成如图2 (b)所示的一个导纳倒置转换器和接在两边传输线段的组合［4］。

图2 带通滤波单元

这种结构的的开路传输线线段，按照其严格的处理方法［5］，可以得到其阻抗参数矩阵参数:

当把基本单元级联构成多节滤波器时，要使每个单元的两个端口都与下一个单元的元件匹配(镜像匹配)。对于一端口的输入阻抗，使用ABCD参量，可以得到:

对于2端口的输入阻抗:

因为多节滤波器阻抗匹配，即Zin=ZL，则由以上两式可得到A=D和

则由Z11=Z22和Z12=Z21，可求出全部ABCD参量元素，将B和C代入可求出输入阻抗(镜像阻抗):

在0≤βl≤2π区间内，一电长度为自变量，可以画出输入阻抗为实部的函数响应如图3所示。

图3 阻抗为实数的频率响应

根据频率响应图，可以得出:当微带线长度为λ/4或βl=π/2时，可以得到典型的带通滤波器特性。这种情况下，上变频和下变频为:

这个耦合线节单元具有典型带通滤波器的特性，但单一的带通滤波器的单元是很难有一个良好的滤波器响应和陡峭的通带—阻带［6］。因此，把这些基本耦合单元级联构成一个实用的滤波器。如图4所示。

图4 级联带通单元

如图2～图4所示为级联耦合微带线节单元构成的带通滤波器的典型结构。在设计滤波器时，一般先要进行频率变换，即把给定的插入衰减频率特性曲线变换成原型低通滤波器的插入衰减特性曲线，然后计算出滤波器的阶数，根据阶数求出网络结构，最后根据原型低通滤波器的设计表格来求出各元件的真实值。

2 平衡耦合带通滤波器的设计及仿真

2.1 设计步骤

为设计出符合要求的带通滤波器，可以将传统的平行耦合微带线设计方法与先进的微波电路仿真软件ADS2009相结合，使全部设计要求转换成实际的滤波器设计，图5就是平行耦合微带线滤波器的设计的流程图。

图5 平行耦合微带滤波器的设计流程图

2.2 平衡耦合微带线带通滤波器的参数设计

(1)滤波器各项指标确定中心频率2.35 GHz，带宽100 MHz，带内衰减小于2 dB，波纹起伏小于1 dB，在频率2.1 GHz、2.6 GHz处衰减大于-40 dB，Z0=50Ω，端口反射系数小于-20 dB。

(2)确定滤波器类型耦合微带线滤波器。

(3)选择介质基片介电常数Er=4.5(环氧玻璃纤维板(FR-4))，电路板厚度H=1 mm，渗透系数Mur=1，介质板上金属层电导率为铜，则GCu= 5.88×107，金属层厚度T=0.035 mm。

(4)计算滤波器阶数

在2.6 GHz频率点求得低通滤波器原型的响应归一化频率为:

查通带内波纹为1 dB时的切比雪夫低通滤波器的阻带衰减特性图，取n=4

图6 1.00 dB波纹的切比雪夫低通滤波器的阻带衰减特性

(5)滤波器元件参数查表1，n=4时切比雪夫低通滤波器的对应于带内波纹为1 dB的元件参数得:g0=1，g1=2.099 1，g2=1.064 4，g3=2.831 1，g4=0.789 2，g5=2.659 9。

表1 切比雪夫低通滤波器的原件数值表

(6)计算奇偶模阻抗归一化带宽WB为:

根据带宽计算:

计算得到参数:

通过这些参数计算传输线的奇模、偶模阻抗:

和

其中Z0是滤波器输入、输出端口的传输线特性阻抗。

可计算出所设计的微带线奇模偶模阻抗:

(7)计算耦合微带线实际参数:

利用ADS微带线计算工具(LineCacl)计算微带线的实际尺寸如图7，输入各参数后点击Sythesize按钮，即得出微带线的实际尺寸。

具体参数如下:

Er=4.5:微带线介质基片的相对介电常数为4.5;

Mur=1:微带线介质基片的相对磁导率为1;

H=1 mm:微带线介质基片的厚度为1 mm;

Hu=1.0×1033mm:微带电路的封装高度为1.0×1033;

T=0.035 mm:微带线金属片的厚度为0.035 mm;

GCu=5.88×107，微带线金属片的电导率为5.88×107;

TanD=1E-4:微带线的损耗角正切为 1 ×10-4;

Freq=2.4 GHz:微带线工作频率为2.4 GHz;

图7 利用LineCacl工具计算耦合线节实际尺寸

Wall1=默认值:条带H的边缘到第一侧壁的距离，默认值为1.0×1030mil;

Wall2=默认值:条带H的边缘到第二侧壁的距离，默认值为1.0×1030mil。

计算得到表2:

表2 耦合线节实际尺寸

用微带线计算工具计算在阻抗为50Ω和电长度为90°时，可以算出微带线的线宽2.968 mm和长度17.255 9 mm(四分之一波长)两边的引出线的双击两边的引出线 TL1、TL2，分别将其宽与长设为2.968 mm和10 mm(其中线长只是暂定，以后制作版图时还会修改)。

2.3 原理图设计与仿真

将上述计算得到的结构尺寸输入ADS中并设置微带线电路板的参数，画出仿真原理图和仿真结果如图8、图9所示。

由图9可以仿真结果可以看出，与应得的设计相比，中心频率点出现偏移，在2.26 GHz左右。而且通带内的反射系数太大，端口反射系数也不满足设计要求，因此对电路图进行优化［7］。

中心频率的实际值比设计值偏低的主要原因是耦合单元微带线开路端边缘效应的影响。对于开路端微带线，一般将边缘效应等效为一个电容，同时，这个等效电容又可以用一段附加的一定长度的传输线所代替［8］。因此使用ADS的优化功能来改善开路段边缘效应的影响。设置优化参数，主要包括滤波器各节的宽度W、间隔S、长度L、通带内的S(2，1)、S(1，1)、低端阻带内的S(1，1)、高端阻带内的S (2，1)等。优化后原理图和仿真结果如图10、图11所示。

2.4 版图设计与仿真

针对仿真结果，我们可以看到，参数已经优化，因此进行版图设计及仿真，版图设计及仿真结果如图12、图13所示。

图8 优化前原理图

图9 优化前仿真结果

图10 优化后原理图

图11 优化后仿真结果

图12 版图设计

图13 版图仿真结果

3 结束语

本文以中心频率为2.35 GHz，带宽为100 MHz的带通滤波器为例，完成了基于ADS完整的设计和仿真，仿真结果良好，证明了基于ADS带通滤波器设计的可行性并且较之经典滤波器的设计具有简便、快速等优点。

［1］郑冬，王志刚.基于ADS带通滤波器的设计［J］.电子产品世界，2010.

［2］高峻，唐晋生.微波滤波器的回顾与展望［J］.电子元器件应用，2005(11):70-72.

［3］李缉熙.射频电路与芯片设计要点［M］.北京:高等教育出版社，2007.

［4］Reinhold L.RFCircuit Design:Theory and Applications Second Edition［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2010.

［5］王磊，杨红.射频电路设计与技术［M］.北京:电子工业出版社，2007.

［6］雷达资料编译组.微波滤波器设计手册［M］.西安:西安电子科技大学出版社，1972:56-85.

［7］冯新宇，车向前，穆秀春.ADS2009射频电路设计与仿真［M］.北京:电子工业出版社，2010:164-185.

［8］李春红，李志强.低频段腔体滤波器的小型化设计［J］.无线电工程，2006，36(2):45-47.

基于ADS滤波器的设计

宿玲玲，赛景波*

A Design of Filter Based on ADS

SU Lingling，SAI Jingbo*
(College of Electronic Information and Control Engineering，Beijing University of Technology，Beijing100124，China)

A method ofmicrostrip filter designing which is based on ADS(Advanced Design System)is introduced，some details of designing principle and steps are also described in the following contents.Furthermore，a 100 MHz band-pass filter with a 2.35 GHz center frequency has been designed combining with practical examples，in the above example the In-band attenuation is less than 2 dB，ripple fluctuation is less than 1 dB，and both of the input and output impedances are 50Ω.After the process of simulating and optimization，schematic diagram and IC Layout diagram have been worked outwhich can prove the feasibility of the researched method，the results of this research has a guiding function for the application of ADSmicrostrip filter in the future days.

band-pass filter;parallel coupled;microstrip line;ADS

10.3969/j.issn.1005－9490.2013.06.014

TN713 文献标识码:A 文章编号:1005－9490(2013)06－0814－06

2013-04-18修改日期:2013-04-26

EEACC:1270;1350

宿玲玲(1989-)，女，汉族，河北邯郸，北京工业大学，在读硕士生，研究方向为无线通信、移动 IP与嵌入式，992839215@qq.com;